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핵융합

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201901.18

인공태양은 왜 도넛 모양일까?

이하나   
https://fusionnow.nfri.re.kr/post/nuclear-fusion/886

 인공위성, 인공강우, 인공지능 등 우리 주변에서 ‘인공’이라는 단어는 쉽게 발견할 수 있습니다. 본래 사람이 거스를 수 없는 자연적 요인을 과학기술의 발전을 통해 사람의 손으로 가공하거나 제어할 수 있게 된 대상에 ‘인공’이라는 단어를 붙이곤 하는데요.

 ‘태양’도 예외는 아닙니다. 인류는 태양에도 도전장을 내밀었습니다. 태양이 만들어내는 무한하고 청정한 에너지가 필요했기 때문이죠. 우리가 사용하는 대부분의 에너지의 근원이라고 할 수 있는 태양은 지금 이 순간에도 끊임없이 빛과 열이라는 에너지를 생산하고 있습니다. 태양의 중심에서 일어나는 ‘핵융합’ 반응 덕분인데요.

 태양을 이루고 있는 수소 기체는 원자핵과 전자가 분리된 ‘플라즈마’ 상태로 존재하고 있습니다. 태양의 엄청난 열과 압력 때문에 수소원자핵들이 서로 결합하는 핵융합 반응이 일어나고, 이 과정에서 발생하는 질량 결손이 태양의 에너지가 됩니다.

 무한하고 깨끗한 에너지를 원하는 인류에게 태양은 매우 이상적인 발전소입니다. 그래서 인류는 태양이 핵융합 반응을 통해 에너지를 만드는 원리를 구현해 낼 ‘인공태양’ 장치를 개발하는데 이르게 됩니다.

인공태양은 태양과 달리 가운데 구멍이 뚫린 도넛 모양이다.

 

 

사람의 손으로 태양을 만들다

 

 사람의 손으로 만든 태양, 인공태양은 어떤 모양일까요? 혹시 실제 태양처럼 동그란 모양을 떠올리시진 않았나요? 인공태양은 태양처럼 구 모양이라고 상상하기 쉽지만, 실제로는 가운데 구멍이 뻥 뚫린 도넛 모양입니다. 왜 동그라미가 아니라 도넛 모양의 태양이 만들어지게 되었을까요?

 이 비밀에 다가서기 위해선 먼저 ‘핵융합’ 반응에 대해 좀 더 알아보아야 합니다. 사실 태양에서 일어나는 핵융합 반응을 지구에서 일으키기란 매우 어렵습니다. 태양에서는 고온과 고압 덕분에 두 개의 수소 원자핵이 서로를 밀어내는 반발력을 이겨내고 융합 반응을 손쉽게 일으킬 수 있지만, 지구에서 태양처럼 핵융합 반응을 일으키기 위해서는 1억도 이상으로 플라즈마를 가열해주어야 하기 때문입니다.

 1억도라는 상상하기 어려운 초고온 상태를 만드는 것도 어렵지만, 여기서 끝이 아닙니다. 1억도의 초고온 플라즈마를 태양처럼 잘 가두어야 핵융합 반응이 일어나기 때문인데요. 1억도를 견딜 수 있는 재료가 없는 지구에서 초고온 플라즈마를 가둘 수 있는 방법을 찾기 위해 과학자들은 오랜 시간 연구를 거듭해야 했습니다.

 

눈에 보이지 않는 힘으로 태양을 가두자!

 

 과학자들이 발견한 방법은 바로 ‘자기장’이었습니다. 원자핵과 전자가 서로 분리되어 전기적 성질을 띄는 플라즈마에 자기장을 걸어주면 플라즈마 입자가 자기장 주위를 무한정 회전 운동하게 되어 일정한 공간에 가둘 수 있었던 것이죠.

실험을 통해 초기 핵융합 장치에 대해 알아볼까요?

 여기에서 구리 용수철은 플라즈마를 가두는 자기장이며, 구리 용수철을 통과하는 건전지 기차는 플라즈마 입자입니다. 아쉽게도 자기장이 있는 공간에서 플라즈마를 가두는 건 가능하지만 플라즈마가 양 끝단으로 탈출하는 것을 효과적으로는 가둘 수는 없는 방법이었죠.

초기 핵융합 장치 방식인 자기 거울(왼)과 플라즈마 핀치(오). 두 가지 방식 모두 빠져나가는 플라즈마 입자들을 완벽하게 가둘 수 없다는 단점이 있었다.

 자, 지금부터는 여러분도 함께 고민해보세요. 자기장으로 둘러싼 영역의 양 끝을 단단히 밀봉할 수 있는 방법이 무엇이 있을까요? 다시 고민에 빠진 과학자들은 새로운 발상을 떠올립니다.

플라즈마 입자가 자꾸 새어나가는 것이 문제라면, 아예 물리적으로 가두어 버리는 것은 어떨까?

 

 

도망가는 플라즈마를 붙잡아라!

 

 양 끝단으로 플라즈마 입자가 도망가는 것이 문제라면, 아예 없애버리면 되는구나! 이러한 획기적인 아이디어에서 탄생한 새로운 인공태양의 모양이 바로 도넛 모양의 핵융합 장치 ‘토카막’ 이었습니다. 플라즈마 입자가 도망가는 양 끝단을 서로 붙여 플라즈마가 빠져나갈 구멍을 아예 없애버린 것이죠.

 

 이러한 아이디어 덕분에 당시 소련에서 처음으로 개발에 성공한 ‘토카막’ 장치인 ‘T-3’는 그동안 최대 100만도씨 정도였던 플라즈마 최대 온도를 1000만도씨까지 올리는데 성공하고, 플라즈마를 가두는 시간도 30배 이상 향상시킬 수 있었습니다. 이렇게 도넛 모양의 핵융합 장치 ‘토카막’은 전 세계 핵융합 연구의 중심이 되어 현재까지 핵융합 상용화에 가장 다가선 장치로 인정받고 있죠.

 우리기술로 완성한 우리나라의 인공태양 ‘KSTAR’ 장치도 도넛모양의 토카막 장치입니다. T-3 장치 이후 세계 여러나라에서 제작한 토카막 장치들도 발전을 거듭했습니다. 그중에서도 우리나라의 KSTAR는 초고온의 플라즈마를 오랫동안 가둘 수 있도록 저항이 발생하지 않는 초전도자석을 이용하여 제작한 차세대핵융합연구장치로 전 세계 핵융합 연구를 선도하고 있습니다.

 지금은 너무 당연해진 도넛 모양의 인공태양 속에 오랜 시간 고민을 거듭했던 과학자들의 기발한 아이디어가 숨겨져 있다니 정말 재밌지 않나요? 핵융합에너지 상용화가 때로는 멀게 느껴지지만 이처럼 오랜 시간 고민하며 새로운 아이디어를 발견해나가는 전 세계의 훌륭한 핵융합 연구자들 덕분에 지금도 핵융합 상용화는 한 발자국, 한 발자국 가까워지고 있다는 사실! 여러분도 함께 기억해주세요~!

실험 TIP : 건전지 기차에 대해 더 알고 싶어요!

 구리용수철 속을 통과하는 건전지 기차는 어떤 원리일까요?

 구리로 제작한 용수철은 일종의 전자석입니다. 전류의 공급과 상관없이 항상 자기를 유지하는 영구자석과 달리, 도선에 전류를 흘려주면 자기화되고, 전류를 끊으면 자기화되지 않은 원래의 상태로 되돌아갑니다.

 건전지 양 끝에 강력한 네오디뮴 자석을 붙여 구리용수철 속에 넣어주면, 용수철에 전류가 흐르게 되고 자기장이 형성됩니다. 그러면 용수철에 흐르는 전류와 건전지 기차 양 끝에 붙어있는 네오디뮴 자석의 극이 서로 영향을 받아 한쪽에서는 밀어내는 힘, 한쪽에서는 당겨지는 힘을 발생시키게 되고 건전지 기차가 앞으로 움직이는 것이죠.

 인공태양만큼이나 재미있는 원리가 숨어있는 실험이죠?

 구리용수철을 여러개 이어 붙이면 다양한 모양의 레일을 따라 움직이는 건전지 기차를 볼 수 있답니다!

 


구리용수철을 여러개 이어 붙여 다양한 모양의 레일 위에서 건전지 기차 실험을 즐겨보세요!

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